CN102886777B - 一种具有大横向位移的二自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有大横向位移的二自由度并联机构。目的是提供的机构使导轨的尺寸较小，在同等尺寸条件下具有较大的横向位移距离。技术方案是：一种具有大横向位移的二自由度并联机构，由动平台、定平台及支链构成，其特征在于，支链包括三个平行四边形机构，其中，定平台下侧的滑动副、第一连杆、第二连杆和第三连杆构成第一平行四边形机构；同时，第二连杆与第四连杆、动平台及第五连杆构成第二平行四边形机构，第二平行四边形机构中动平台与第二连杆平行；第一连杆、第四连杆与第六连杆、第七连杆构成第三平行四边形机构，第三平行四边形机构中第一连杆与第六连杆平行，第四连杆与第七连杆平行，第七连杆的端部与定平台上侧的滑动副铰接。
Description
技术领域
本发明涉及一种运动机构，尤其是一种具有大横向位移的二自由度并联机构。
背景技术
由于传统的手工作业在完成诸如包装、分拣、搬运等操作时，无论是精度、成本还是效率都很低，无法满足越来越大的市场需求，所以寻找可以代替人力作业的机器人就应运而生，与传统的手工作业相比，机器人作业具有高速度、高效率、高精度，不受环境影响且可持续工作等优点，因此，机器人代替人工成为了历史发展的必然选择，成为提高工业自动化程度和产品质量的必要途径，对于我国提高整体竞争力，特别是相对落后的工业领域具有划时代的意义，同时这也是我国实施科技兴国战略的重要目标。
与串联机器人相比，并联机器人采用闭环结构且驱动装置直接设置在机座上，所以具有刚度高、承载能力强、误差累积小、精度高及自身负荷比小等特点，特别适合工作空间范围小、精度高、工作速度高的场合，例如以下场合：
（1）在一个平面内完成高速往复运动；
（2）在与工作平面正交的方向做长（短）距步进或缓进运动。
由于多自由度的并联机器人存在运算复杂的难题，而少自由度并联机器人中二自由度并联机器人恰恰适合完成上述的运动，这给其应用和研究提供了巨大的空间。
在2001年Brogardh（布罗加尔）提出了一个2自由度移动并联机构，在移动副驱动和末端平台之间用一个平行四连杆相连，若用转动代替移动驱动，还能得到一个等效机构。在2008年的法国蒙彼利埃的一次关于并联机构未来研究方向的会议上，CEDRIC BARADAT（塞德里克·巴拉达特）又提出一个新型二自由度并联机器人。对现有专利检索发现，国内也对二自由度移动并联机构进行了不少研究。例如：CN1355087A提出一种仅含转动副的二自由度并联机器人机构，动平台通过两个分支与机架连接，两分链通过两个平行四边形机构实现动平台的平动，运动副全部为转动铰，结构简单可靠，制造成本低，具有高速、低成本、重量轻等优点；CN101224578A提出一种二自由度平移运动并联机构，采用虎克铰的运动实现空间约束，连杆不再受弯矩作用，改善了机构的受力状况，提高了机构的刚度；CN2741730Y提出了一种二自由度移动平面并联机构，具有高精度、结构简单、制造成本低、重量轻等优点；CN101804629A提出了一种交叉型二自由度移动并联机构，采用交叉型的连杆布置，具有更小的横向尺寸，且具有结构简单可靠，刚度高，制造成本低，易于控制等优点。对于上述并联机构来说，横向位移距离小是其最大的一个缺点，为满足更大的横向位移距离，必然使机构整体尺寸增加，这使制造成本及占地面积也大大增加。如何在同等尺寸条件下提高机构的横向位移距离，是发明设计的一个关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术存在的不足，提供一种具有大横向位移的二自由度并联机构，使得导轨的尺寸较小，在同等尺寸条件下具有较大的横向位移距离，而且结构简单可靠。
本发明采用的技术方案是：一种具有大横向位移的二自由度并联机构，由动平台、定平台以及连接动平台与定平台的支链构成，支链的一端与动平台铰接，另一端与定平台上的滑动副铰接，各铰接点的铰接轴线全部平行布置，滑动副的运动方向也相互平行，铰接轴线与滑动副的运动方向相互垂直，其特征在于，所述支链包括三个平行四边形机构，其中，定平台下侧的滑动副、第一连杆、第二连杆和第三连杆构成第一平行四边形机构，该第一平行四边形机构中所述滑动副与第二连杆平行；同时，所述第二连杆与布置在其右侧的第四连杆、所述动平台以及第五连杆构成第二平行四边形机构，该第二平行四边形机构中所述动平台与第二连杆平行，从而保证动平台与定平台始终平行；所述第一连杆、第四连杆与第六连杆、第七连杆构成第三平行四边形机构，该第三平行四边形机构中第一连杆与第六连杆平行，第四连杆与第七连杆平行，第七连杆的端部与定平台上侧的滑动副铰接。
所述第三平行四边形机构位于第一平行四边形机构的上侧；其中，第七连杆的一端与第一连杆的中点铰接，第七连杆另一端同时与定平台上侧的滑动副以及第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与动平台的上端铰接，第四连杆的中点铰接着第一连杆的一端以及第二连杆的上端，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑动副上；
所述第一、第三、第四连杆等长，第五、第六、第七、第八连杆等长且长度为所述第一、第三、第四连杆的二分之一；第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑动副上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长。
所述第三平行四边形机构位于第一平行四边形机构的上侧；其中，第七连杆的一端与第一连杆的中点铰接，第七连杆另一端同时与定平台上侧的滑动副以及第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与动平台的上端铰接，第四连杆的三分之一长度位置铰接着第一连杆的一端以及第二连杆的上端，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑动副上；
所述第七连杆的长度等于第四连杆的三分之一，第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑动副上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长。
所述第三平行四边形机构位于第一、第二平行四边形机构的下侧；其中第七连杆的一端铰接在定平台上侧的滑动副上，第七连杆的中点与第一连杆的中点铰接，第七连杆的另一端位于第一连杆下方并与第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端以及动平台的上端铰接，第四连杆的另一端与第一连杆的一端以及第二连杆的上端铰接，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑动副上；
所述第一、第三、第七连杆等长，第四、第五、第六连杆等长且长度为所述第一、第三、第七连杆长度的二分之一，第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑动副上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长。
所述第一平行四边形机构还设有第八连杆，所述第八连杆设置在第四连杆和第七连杆的中间位置且与第四连杆以及第七连杆平行，第八连杆的两端分别铰接在第六连杆和第一连杆上，形成一个虚约束。
所述定平台下侧的滑动副始终位于定平台上侧的滑动副的下方，所述滑动副包括机架上的导轨以及可在导轨上往复滑动的滑块，各连杆的端部通过与滑块的铰接实现与所述滑动副的铰接。
所述的各铰接点均采用铰接轴与铰接孔配合的铰接结构。
所述搬运机构还配置有一夹具，该夹具位于动平台下方，夹具的对称中心线与动平台的轴线平行。
本发明的有益效果是：本发明在采用三个平行四边形机构，使得导轨的尺寸较小，在同等尺寸条件下增大了横向位移距离，而且结构简单可靠，刚度较高，能够满足生产需求，可作为工业机器人使用。
附图说明
图1是本发明实施例一的主视结构示意图。
图2是图1的机械原理示意图。
图3是本发明实施例二的主视结构示意图。
图4是图3的机械原理示意图。
图5是本发明实施例三的主视结构示意图。
图6是图5的机械原理示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
一种具有大横向位移的二自由度并联机构，由动平台10、定平台9以及连接动平台与定平台的支链构成，支链的一端与动平台铰接，另一端与定平台上的滑动副铰接，各铰接点A的铰接轴线全部平行布置，滑动副的运动方向也相互平行，铰接轴线与滑动副的运动方向相互垂直（常规结构）。
所述支链包括三个平行四边形机构，其中，定平台下侧的滑动副、第一连杆1、第二连杆2和第三连杆3构成第一平行四边形机构（铰接形成，常规技术），该第一平行四边形机构中所述滑动副与第二连杆平行；同时，所述第二连杆2与布置在其右侧的第四连杆4、所述动平台10以及第五连杆5构成第二平行四边形机构（铰接形成，常规技术），该第二平行四边形机构中所述动平台与第二连杆平行，从而保证动平台与定平台始终平行；所述第一连杆1、第四连杆4与第六连杆6、第七连杆7构成第三平行四边形机构（铰接形成，常规技术），该第三平行四边形机构中第一连杆与第六连杆平行，第四连杆与第七连杆平行，第七连杆的端部与定平台上侧的滑动副铰接。
所述定平台下侧的滑动副始终位于定平台上侧的滑动副的下方，所述滑动副包括机架上的导轨以及可在导轨上往复滑动的滑块（为使图面整洁，图中导轨省略不画），各连杆的端部通过与滑块的铰接实现与所述滑动副的铰接。其中，定平台下侧的滑动副中为滑块一11，定平台上侧的滑动副中为滑块二12，滑块11与滑块12可以位于两个不同导轨上（导轨平行布置）。
所述的各铰接点A均采用铰接轴与铰接孔配合的铰接结构。
所述机构还配置有一夹具13，该夹具位于动平台下方，夹具的对称中心线与动平台的轴线平行。
上述具有大横向位移的二自由度并联机构具有三种实施方式。
实施例1，所述第三平行四边形机构位于第一平行四边形机构的上侧；其中，第七连杆的一端与第一连杆的中点铰接，第七连杆另一端同时与定平台上侧的滑块二以及第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与动平台的上端铰接，第四连杆的中点铰接着第一连杆的一端以及第二连杆的上端，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑块一上；所述第一、第三、第四连杆等长，第五、第六、第七、第八连杆等长且长度为所述第一、第三、第四连杆的二分之一；第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑块一上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长。
所述第一平行四边形机构还设有第八连杆8，所述第八连杆设置在第四连杆和第七连杆的中间位置且与第四连杆以及第七连杆平行，第八连杆的两端分别铰接在第六连杆和第一连杆上，形成一个虚约束。
当电机驱动滑块一与滑块二时，三个平行四边形机构动作，使得动平台带动下方夹具作二维移动的二自由度运动。
实施例2，所述第三平行四边形机构位于第一平行四边形机构的上侧；其中，第七连杆的一端与第一连杆的中点铰接，第七连杆另一端同时与定平台上侧的滑动二以及第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与动平台的上端铰接，第四连杆的三分之一长度位置铰接着第一连杆的一端以及第二连杆的上端，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑块一上。所述第七连杆的长度等于第四连杆的三分之一，第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑块一上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长。
当电机驱动滑块一与滑块二时，三个平行四边形机构动作，使得动平台带动下方夹具作二维移动的二自由度运动。
实施例3，所述第三平行四边形机构位于第一、第二平行四边形机构的下侧；其中第七连杆的一端铰接在定平台上侧的滑块二上，第七连杆的中点与第一连杆的中点铰接，第七连杆的另一端位于第一连杆下方并与第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端以及动平台的上端铰接，第四连杆的另一端与第一连杆的一端以及第二连杆的上端铰接，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑块一上。所述第一、第三、第七连杆等长，第四、第五、第六连杆等长且长度为所述第一、第三、第七连杆长度的二分之一，第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑动副上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长。
当电机驱动滑块一11与滑块二12时，三个平行四边形机构动作，使得动平台带动下方夹具作二维移动的二自由度运动。
显然，较之实施例2和实施例3，实施例1的结构更加稳定，具有更大刚度。尚需说明的是：为图面清晰，图中所有铰接点仅画出铰接孔，铰接轴均予省略。
Claims (3)
1.一种具有大横向位移的二自由度并联机构，由动平台(10)、定平台(9)以及连接动平台与定平台的支链构成，支链的一端与动平台铰接，另一端与定平台上的滑动副铰接，各铰接点(A)的铰接轴线全部平行布置，滑动副的运动方向也相互平行，铰接轴线与滑动副的运动方向相互垂直，其特征在于，所述支链包括三个平行四边形机构，其中，定平台下侧的滑动副、第一连杆(1)、第二连杆(2)和第三连杆(3)构成第一平行四边形机构，该第一平行四边形机构中所述滑动副与第二连杆平行；同时，所述第二连杆与布置在其右侧的第四连杆(4)、所述动平台以及第五连杆构(5)成第二平行四边形机构，该第二平行四边形机构中所述动平台与第二连杆平行，从而保证动平台与定平台始终平行；所述第一连杆、第四连杆与第六连杆(6)、第七连杆构(7)成第三平行四边形机构，该第三平行四边形机构中第一连杆与第六连杆平行，第四连杆与第七连杆平行，第七连杆的端部与定平台上侧的滑动副铰接；
所述第三平行四边形机构位于第一平行四边形机构的上侧；其中，第七连杆的一端与第一连杆的中点铰接，第七连杆另一端同时与定平台上侧的滑动副以及第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与动平台的上端铰接，第四连杆的中点铰接着第一连杆的一端以及第二连杆的上端，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑动副上；
所述第一、第三、第四连杆等长，第五、第六、第七、第八连杆等长且长度为所述第一、第三、第四连杆的二分之一；第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑动副上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长；
所述第一平行四边形机构还设有第八连杆(8)，所述第八连杆设置在第四连杆和第七连杆的中间位置且与第四连杆以及第七连杆平行，第八连杆的两端分别铰接在第六连杆和第一连杆上，形成一个虚约束；
所述定平台下侧的滑动副始终位于定平台上侧的滑动副的下方，所述滑动副包括机架上的导轨以及可在导轨上往复滑动的滑块，各连杆的端部通过与滑块的铰接实现与所述滑动副的铰接；
该具有大横向位移的二自由度并联机构还配置有一夹具(13)，该夹具位于动平台下方，夹具的对称中心线与动平台的轴线平行。
2.一种具有大横向位移的二自由度并联机构，由动平台(10)、定平台(9)以及连接动平台与定平台的支链构成，支链的一端与动平台铰接，另一端与定平台上的滑动副铰接，各铰接点(A)的铰接轴线全部平行布置，滑动副的运动方向也相互平行，铰接轴线与滑动副的运动方向相互垂直，其特征在于，所述支链包括三个平行四边形机构，其中，定平台下侧的滑动副、第一连杆(1)、第二连杆(2)和第三连杆(3)构成第一平行四边形机构，该第一平行四边形机构中所述滑动副与第二连杆平行；同时，所述第二连杆与布置在其右侧的第四连杆(4)、所述动平台以及第五连杆构(5)成第二平行四边形机构，该第二平行四边形机构中所述动平台与第二连杆平行，从而保证动平台与定平台始终平行；所述第一连杆、第四连杆与第六连杆(6)、第七连杆构(7)成第三平行四边形机构，该第三平行四边形机构中第一连杆与第六连杆平行，第四连杆与第七连杆平行，第七连杆的端部与定平台上侧的滑动副铰接；
所述第三平行四边形机构位于第一平行四边形机构的上侧；其中，第七连杆的一端与第一连杆的中点铰接，第七连杆另一端同时与定平台上侧的滑动副以及第六连杆的一端铰接，第六连杆的另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与动平台的上端铰接，第四连杆的三分之一长度位置铰接着第一连杆的一端以及第二连杆的上端，第一连杆的另一端铰接在定平台下侧的滑动副上；
所述第七连杆的长度等于第四连杆的三分之一，第二连杆以及动平台的长度，与定平台下侧的滑动副上第一连杆和第三连杆的两铰接点之间的距离等长；
所述定平台下侧的滑动副始终位于定平台上侧的滑动副的下方，所述滑动副包括机架上的导轨以及可在导轨上往复滑动的滑块，各连杆的端部通过与滑块的铰接实现与所述滑动副的铰接；
该具有大横向位移的二自由度并联机构还配置有一夹具(13)，该夹具位于动平台下方，夹具的对称中心线与动平台的轴线平行。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有大横向位移的二自由度并联机构，其特征在于：所述的各铰接点均采用铰接轴与铰接孔配合的铰接结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |